JP4406111B2 - Polishing liquid composition - Google Patents

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  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁層と金属層を有する被研磨表面を研磨する研磨液組成物に関する。さらに詳しくは、半導体基板上の埋め込み金属配線の形成手法に適用される研磨液組成物に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程における金属配線層形成において、半導体基板上の絶縁膜表面に配線形状の溝を形成し、該溝を有する絶縁膜上に銅等からなる金属膜を堆積し、前記金属膜をポリッシング装置及び研磨液による研磨処理により、前記溝内のみに金属層を残存させる配線形成における金属の研磨工程(Metal Chemical Mechanical Polishing、以下メタルCMPという)が採用されている。
【0003】
しかしながら、このメタルCMPには絶縁膜の溝内に残存した金属配線層にディッシング(Dishing)と呼ばれるくぼみが発生し、金属配線層の断面積が減少して、電気抵抗の増大等を引き起こすという問題がある。このディッシングは、研磨液組成物により金属配線層の表面が絶縁体表面よりも過剰に研磨又はエッチングされて生じるとされている。特に、主要な配線金属の1つである銅は、研磨液組成物により過剰にエッチングされて、ディッシングが発生しやすいという欠点がある。
【0004】
従って、絶縁膜上の金属膜を研磨するためのエッチング作用は残しつつも、配線形成時には、金属層にディッシング等の欠陥が存在しない研磨液が望まれている。
【0005】
従来の研磨液としては、特開平8−22970号公報には研磨液組成物にカルボキシル基またはその塩、スルホン基又はその塩からなる少なくとも1つの親水基を有する分子量100以上の高分子有機化合物を含有した研磨液が記載されているが、具体的なアクリル酸系重合物に関する記載はない。さらにはアクリル酸系重合物と有機酸を併用することを示しておらず、メタルCMPにおいて金属層を研磨する場合、研磨速度は不十分である。
【0006】
特開平10−168431号公報には、半導体ウエハ上の表面を平坦化する手法としてポリアクリル酸、ポリメタクリル酸を含有する研磨液が開示されているが、有機酸が含まれておらず、メタルCMPにおいて金属層を研磨する場合、研磨速度が不十分である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、絶縁層と金属層を有する被研磨表面において、金属膜の研磨速度を向上させ、且つ金属配線層のディッシング等の防止効果に優れた研磨液組成物を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、
〔1〕半導体基板上に絶縁層と銅又は銅合金の埋め込み金属配線層を有する被研磨表面を研磨する研磨液組成物であって、アクリル酸系重合物0.1〜30重量%、有機酸0.2〜10重量%、研磨材及び水を含有し、pHが7以下である研磨液組成物(以下、第1研磨液組成物ともいう)、
〔2〕さらに、酸化剤を含有する〔1〕記載の研磨液組成物(以下、第2研磨液組成物ともいう)、並びに
〔3〕アクリル酸系重合物の分子量が500〜50000である〔1〕又は〔2〕記載の研磨液組成物に関する。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明に用いられるアクリル酸系重合物とは、式(1):
【0010】
【化1】
【0011】
(式中、Rは水素原子、メチル基又はエチル基、Xは水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、アンモニウム基又は有機アンモニウム基を表し、n個のXは同一でも異なっていてもよく、nは単量体の繰り返し数を示す)で示されるホモポリマー型化合物をいう。
【0012】
式(1)中において、Xは、水素原子、アンモニウム基、モノエタノールアンモニウム、ジエタノールアンモニウム、トリエタノールアンモニウム及びトリエチルアンモニウム等の有機アンモニウム基が好ましい。
【0013】
本発明は、前記アクリル酸系重合物を用いることに一つの大きな特徴があり、かかるアクリル酸系重合物を含有する研磨液組成物を用いることで、研磨速度を向上させるだけでなく、金属膜の過剰なエッチングを防止することができ、ディッシング等の欠陥のない研磨表面を得ることができるという優れた効果が発現される。
【0014】
前記アクリル酸系重合物は、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、α−エチルアクリル酸、それらのアルカリ金属塩、アンモニウム塩、アミン塩等の塩基性塩等のアクリル酸系単量体を、水系媒体中、2,2’−アゾビスイソブチルニトリル、2,2’−アゾビス〔2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン〕二硫酸塩二水和物、過硫酸アンモニウム、過酸化水素等の重合開始剤の存在下に塊状重合、溶液重合等の公知の重合方法により重合させることにより得ることができる。
【0015】
本発明のアクリル酸系重合物の分子量は、研磨速度を向上させ、かつディッシングを抑制する観点から、500〜50000が好ましく、特に好ましくは500〜10000、さらに好ましくは500〜5000、最も好ましくは500〜3000である(ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)によるポリスチレンスルホン酸ナトリウム換算)。
【0016】
アクリル酸系重合物の第1研磨液組成物中における配合量は、研磨速度を上げ且つエッチング速度を下げてディッシングを防ぐ観点から、0.01〜30重量%が好ましく、0.05〜5重量%がより好ましく、0.1〜3重量%がさらに好ましい。
【0017】
本発明に用いられる有機酸は、酸性を示す官能基を有する化合物である。酸性を示す官能基としては、カルボキシル基、ホスホン基、スルホン基、スルフィン基、フェノール基、エノール基、チオフェノール基、イミド基、オキシム基、芳香族スルホアミド基、第一級及び第二級ニトロ基等が挙げられる。
【0018】
カルボキシル基を有する有機酸としては、モノカルボン酸、ジカルボン酸、ヒドロキシカルボン酸、アミノカルボン酸等が挙げられ、具体的には、モノカルボン酸としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、バレリアン酸、カプロン酸、カプリル酸、カプリン酸、ラウリル酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、ピルビン酸等;ジカルボン酸としては、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、フタル酸等;ヒドロキシカルボン酸としては、グルコン酸、酒石酸、グリコール酸、乳酸、クエン酸、リンゴ酸等;アミノカルボン酸としては、エチレンジアミンテトラ酢酸、ニトリロトリ酢酸等が挙げられる。ホスホン基を有する有機酸としては、1−ヒドロキシエチリデン−1,1−ジホスホン酸等、スルホン基を有する有機酸としては、メタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸、ナフタリンスルホン酸等;スルフィン基を有する有機酸としては、ベンゼンスルフィン酸、p−トルエンスルフィン酸等が挙げられる。これらの中でも、モノカルボン酸、ジカルボン酸、ヒドロキシカルボン酸及びアミノカルボン酸が好ましく、酢酸、シュウ酸、コハク酸、グリコール酸、乳酸、クエン酸、リンゴ酸、酒石酸、グルコン酸、エチレンジアミンテトラ酢酸、ニトリロトリ酢酸がさらに好ましい。また、これらの有機酸は、単独で又は2種以上を混合して用いてもよい。これらの有機酸の分子量は、500未満が好ましい。
【0019】
本発明において、かかる有機酸を用いることで、金属層を構成する各種金属、特に銅と錯体を形成し又は結合し、金属層を脆弱な層にして、研磨の際に金属層の除去を容易にするという効果が発現される。また、特に、有機酸とアクリル酸系重合物を併用することで、より高い研磨速度が実現でき、且つディッシングを防止することができる。
【0020】
有機酸の第1研磨液組成物中における配合量は、金属層の除去のために実用レベルでの研磨速度を確保し、且つ金属層の過剰なエッチングを防ぐために、好ましくは0.1〜10重量%、より好ましくは0.2〜8重量%、さらに好ましくは0.3〜5重量%である。
【0021】
本発明に用いられる水は、媒体として用いられるものである。その配合量は、被研磨物を効率よく研磨できる観点から、好ましくは60〜99.8重量%、より好ましくは70〜99.4重量%、さらに好ましくは80〜99.0重量%である。
【0022】
本発明の研磨液組成物のpHは、研磨速度を実用レベルに保ち、且つディッシングを防止する観点及び表面の微細な引っ掻き傷(スクラッチ)を除去する観点から、7以下であり、1〜7が好ましく、2 〜6がより好ましく、3〜5がさらに好ましい。pHを前記範囲内に調整するために、必要に応じて、硝酸、硫酸等の無機酸、有機酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、アンモニア、アミン等の塩基性物質を適宜配合することができる。
【0023】
本発明の第2研磨液組成物は、第1研磨液組成物に酸化剤をさらに配合させたものである。本発明に用いられる酸化剤は、金属を酸化させるものである。本発明においては、かかる酸化剤を用いることにより、金属層を酸化させ、金属層の機械的研磨効果を促進させる効果が発現されると考えられる。
【0024】
酸化剤としては、過酸化物、過マンガン酸又はその塩、クロム酸又はその塩、硝酸又はその塩、ペルオクソ酸又はその塩、酸素酸又はその塩、金属塩類、硫酸等が挙げられる。
【0025】
その具体例として、過酸化物としては、過酸化水素、過酸化ナトリウム、過酸化バリウム等;過マンガン酸又はその塩としては、過マンガン酸カリウム等;クロム酸又はその塩としては、クロム酸金属塩、重クロム酸金属塩等;硝酸又はその塩としては、硝酸鉄(III)、硝酸アンモニウム等;ペルオクソ酸又はその塩としては、ペルオクソ二硫酸、ペルオクソ二硫酸アンモニウム、ペルオクソ二硫酸金属塩、ペルオクソリン酸、ペルオクソ硫酸、ペルオクソホウ酸ナトリウム、過ギ酸、過酢酸、過安息香酸、過フタル酸等;酸素酸又はその塩としては、次亜塩素酸、次亜臭素酸、次亜ヨウ素酸、塩素酸、臭素酸、ヨウ素酸、過塩素酸、次亜塩素酸ナトリウム、次亜塩素酸カルシウム等;金属塩類としては、塩化鉄(III)、硫酸鉄(III)、クエン酸鉄(III)、硫酸アンモニウム鉄(III)等が挙げられる。好ましい酸化剤としては、過酸化水素、硝酸鉄(III)、過酢酸、ペルオクソ二硫酸アンモニウム、硫酸鉄(III)及び硫酸アンモニウム鉄(III)が挙げられ、特に過酸化水素が好ましい。これらの酸化剤は、単独で又は2種以上を混合して使用してもよい。
【0026】
酸化剤は、第2研磨液組成物中において水を媒体とした状態で使用される。該酸化剤の第2研磨液組成物中における配合量は、金属層の迅速な酸化により、実用レベルの研磨速度を得る観点から、好ましくは0.1〜60重量%、より好ましくは0.2〜50重量%、さらに好ましくは0.3〜30重量%である。
【0027】
また、第2研磨液組成物におけるアクリル酸系重合物の配合量は、好ましくは0.01〜30重量%、より好ましくは0.05〜5重量%、さらに好ましくは0.1〜3重量%である。水の配合量は、好ましくは10〜99.7重量%、より好ましくは40〜99重量%、さらに好ましくは60〜98重量%である。有機酸の配合量は、好ましくは0.1〜10重量%、より好ましくは0.2〜8重量%、さらに好ましくは0.3〜5重量%である。
【0028】
以上のような構成を有する本発明の第1及び第2研磨液組成物は、固定砥石等を用いる研磨方式において有効である。例えば、固定砥石による研磨方式の研磨中に第1又は第2研磨液組成物を使用することにより研磨速度を向上させるだけでなく、金属層のディッシングを防止することができる。
【0029】
本発明の研磨液組成物は、研磨材をさらに含有させたものであり、遊離研磨材による研磨方式に用いられるものである。
【0030】
研磨材としては、研磨用に一般に使用される砥粒を使用することができ、例えば、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、窒化ケイ素、二酸化マンガン、炭化ケイ素、酸化亜鉛、ダイヤモンド及び酸化マグネシウムが挙げられる。
【0031】
この具体例として、二酸化ケイ素としては、コロイダルシリカ粒子、フュームドシリカ粒子、表面修飾したシリカ粒子等;酸化アルミニウムとしては、α―アルミナ粒子、γ―アルミナ粒子、δ―アルミナ粒子、θ―アルミナ粒子、η―アルミナ粒子、無定型アルミナ粒子、その他の製造法の異なるフュームドアルミナやコロイダルアルミナ等;酸化セリウムとしては、酸化数が3価又は4価のもの、結晶系が六方晶系、等軸晶系又は面心立方晶系のもの等;酸化ジルコニウムとしては、結晶系が単斜晶系、正方晶系又は非晶質のもの、その他の製造法の異なるフュームドジルコニウム等;酸化チタンとしては、一酸化チタン、三酸化チタン二チタン、二酸化チタン、その他の製造法の異なるフュームドチタニア等;窒化ケイ素としては、α―窒化ケイ素、β―窒化ケイ素、アモルファス窒化ケイ素、その他の形態の異なるもの等;二酸化マンガンとしては、α―二酸化マンガン、β―二酸化マンガン、γ―二酸化マンガン、δ―二酸化マンガン、ε―二酸化マンガン、η―二酸化マンガン等が挙げられる。これらの研磨材は、単独で又は2種以上を混合して用いてもよい。
【0032】
かかる研磨材の一次粒子の平均粒径は、一定の研磨速度を維持する観点から、好ましくは5nm以上、より好ましくは10nm以上、さらに好ましくは20nm以上、特に好ましくは50nm以上である。また、被研磨物の表面にスクラッチを発生させない観点から、好ましくは1000nm以下、より好ましくは500nm以下、さらに好ましくは300nm以下、特に好ましくは200nm以下、最も好ましくは100nm以下である。
【0033】
特に、研磨材として二酸化ケイ素を用いた場合には、研磨速度を向上させる観点から、一次粒子の平均粒径は、5nm以上、好ましくは10nm以上、より好ましくは20nm以上である。
【0034】
なお、研磨材の一次粒子の平均粒径は、0.1%ポリスチレンスルフォン酸ソーダ水溶液100gに、該研磨材0.1gを加え、次いで超音波を印加した該研磨材を分散させたものを透過型電子顕微鏡で観察して画像解析により求めることができる。
【0035】
本発明の研磨液組成物を半導体装置の配線形成の際に用いる場合、前記アクリル酸系重合物との添加相乗効果が向上する観点から、特に好ましく用いられる研磨材は、純度が好ましくは98重量%以上、より好ましくは99重量%以上、特に好ましくは99.9重量%以上のシリカ粒子である。かかる研磨材としては、四塩化ケイ素等の揮発性ケイ素化合物を酸水素焔中での高温加水分解により製造されるフュームドシリカ、又はケイ酸アルカリやケイ酸エチルを出発原料とする製法で得られるコロイダルシリカが挙げられる。
【0036】
なお、前記研磨材の純度は次のようにして求められる。即ち、研磨材1〜3gを酸又はアルカリ水溶液に溶かし、ICP(プラズマ発光分析)法により、ケイ素イオンを定量することにより測定することができる。
【0037】
かかる研磨材は、本発明の研磨液組成物中において水を媒体とした、いわゆるスラリー状態で使用される。研磨材の本発明の研磨液組成物中における配合量は、本発明の研磨液組成物の粘度や被研磨物の要求品質等に応じて種々選択することができ、研磨材を除いた研磨液組成物100重量部に対して、0.01〜30重量部、より好ましくは0.02〜20重量部、さらに好ましくは0.05〜10重量部である。
【0038】
本発明の研磨液組成物は、絶縁層と金属層を有する表面を研磨の対象とし、メタルCMPに用いられる。金属層を形成する金属としては、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金、タングステン等が挙げられる。これらの中では、特に半導体基板上の埋め込み金属配線形成工程に用いる場合、銅又は銅合金が好ましい。かかる銅又は銅合金の金属配線層の形成に、本発明の研磨液組成物を用いると、研磨速度を向上させる効果や埋め込み金属配線層のディッシングを抑制する効果が特に顕著に発現される。また、絶縁層を形成する材としては、二酸化ケイ素、窒化物(例えば、窒化タンタル、窒化チタン等)、フッ素添加二酸化ケイ素、テフロン、ポリイミド、有機SOG(スピンオングラス)、水素含有SOG等が挙げられる。
【0039】
これらの被研磨物の形状は、半導体基板上の絶縁膜表面に配線形状の溝を形成し、該溝を含む絶縁膜上に金属が堆積した形状であることが好ましい。また、絶縁膜と金属層の間にタンタル、チタン又はそれらの窒化物からなるバリア膜が設けられてもよい。特に金属層が銅又は銅合金である場合、前記バリア膜を設けることにより、絶縁層への銅の拡散を防止できるため好ましい。
【0040】
【実施例】
実施例1〜7及び比較例1〜4
表1に示すアクリル酸系重合物及び有機酸を、それぞれ表1に示す含有量で31%過酸化水素水2重量%及び残部水と混合、攪拌して組成物を得た。得られた組成物100重量部に対して、表1に示す研磨材5重量部を加え、再度混合、攪拌した後、pH調整を行い、本発明の研磨液組成物を得た。なお、使用した各研磨材は、フュームドシリカ(一次粒径:50nm)、コロイダルシリカ(一次粒径:30nm)である。また、被研磨物を片面研磨機により下記の条件にて研磨した。
【0041】
<片面加工機の設定条件>
使用片面加工機:エンギス社製 片面加工機(定盤サイズ30cm)
加工圧力:300gf/cm2
研磨パッド:上層:IC1000(ロデールニッタ社製)、下層:SUBA400 (ロデールニッタ社製)
定盤回転数:60rpm
研磨液組成物供給流量:100mL/min
研磨時間:2分間
【0042】
また、相対研磨速度、被研磨表面のディッシング等の研磨液組成物の特性を以下の方法に従って評価した。
【0043】
〔相対研磨速度〕
相対研磨速度を求めるために用いた被研磨対象物は、シリコン基板上に電気メッキ等で銅膜を成膜したシリコン基板である。また、研磨速度は、研磨前後の銅膜の変化を20箇所測定し、それを研磨時間で除すことにより求め、比較例1又は2を基準として相対値を求めた。その結果を表1に示す。
【0044】
〔ディッシング〕
ディッシング評価のために、銅ダマシン配線パターン付きウエハ(SKW社製、「SKW6-2」、サイズ:200mm)から20mm角のチップを5枚切り出し、セラミック製の貼り付け板に固定後、上記条件で研磨し、ディッシング評価用サンプルとした。ディッシング評価は、配線幅のサイズが1500μm×1500μmのパターンの断面の走査型電子顕微鏡観察により行った。その結果を表1に示す。なお、表中、「無」はディッシングが無いこと、「有」は、ディッシングが1箇所以上あることを示す。
【0045】
【表1】
【0046】
実施例の結果から、アクリル酸系重合物と有機酸を併用することにより、十分な研磨速度を発現し、ディッシングを防止できることがわかる。また、pH7以下で研磨することで、十分な研磨速度を得ることができる。
【0047】
【発明の効果】
本発明の研磨液組成物を絶縁層と金属層を有する被研磨表面の研磨に用いることにより、金属膜の研磨速度が向上しかつ配線金属層にディッシング等の欠陥を発生させないという効果が奏される。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polishing liquid composition for polishing a surface to be polished having an insulating layer and a metal layer. More particularly, the present invention relates to a polishing liquid composition applied to a method for forming a buried metal wiring on a semiconductor substrate.
[0002]
[Prior art]
In forming a metal wiring layer in a manufacturing process of a semiconductor device, a wiring-shaped groove is formed on the surface of the insulating film on the semiconductor substrate, a metal film made of copper or the like is deposited on the insulating film having the groove, and the metal film is A metal polishing process (Metal Chemical Mechanical Polishing, hereinafter referred to as “metal CMP”) is employed in wiring formation in which a metal layer remains only in the groove by a polishing process using a polishing apparatus and a polishing liquid.
[0003]
However, in this metal CMP, a recess called dishing occurs in the metal wiring layer remaining in the trench of the insulating film, and the cross-sectional area of the metal wiring layer is reduced, resulting in an increase in electrical resistance. There is. This dishing is said to occur when the surface of the metal wiring layer is polished or etched more excessively than the insulator surface by the polishing composition. In particular, copper, which is one of the main wiring metals, has a drawback in that dishing tends to occur because it is excessively etched by the polishing composition.
[0004]
Accordingly, a polishing liquid that does not have defects such as dishing in the metal layer is desired at the time of wiring formation while the etching action for polishing the metal film on the insulating film remains.
[0005]
As a conventional polishing liquid, JP-A-8-22970 discloses a high molecular weight organic compound having a molecular weight of 100 or more having at least one hydrophilic group comprising a carboxyl group or a salt thereof, a sulfone group or a salt thereof in the polishing liquid composition. Although the contained polishing liquid is described, there is no description regarding a specific acrylic polymer. Furthermore, it does not indicate that an acrylic acid polymer and an organic acid are used in combination, and when the metal layer is polished in metal CMP, the polishing rate is insufficient.
[0006]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-168431 discloses a polishing liquid containing polyacrylic acid and polymethacrylic acid as a method for flattening the surface on a semiconductor wafer, but does not contain an organic acid and is a metal. When polishing a metal layer in CMP, the polishing rate is insufficient.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a polishing liquid composition that improves the polishing rate of a metal film on the surface to be polished having an insulating layer and a metal layer, and is excellent in preventing effects such as dishing of the metal wiring layer. .
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The gist of the present invention is as follows.
[1] A polishing composition for polishing a surface to be polished having an insulating layer and a copper or copper alloy embedded metal wiring layer on a semiconductor substrate , comprising 0.1 to 30% by weight of an acrylic acid polymer, an organic acid A polishing composition containing 0.2 to 10% by weight, an abrasive and water and having a pH of 7 or less (hereinafter also referred to as a first polishing composition),
[2] Further, the polishing composition according to [1] containing an oxidizing agent (hereinafter also referred to as the second polishing composition) and [3] the molecular weight of the acrylic acid polymer is 500 to 50,000. It relates to the polishing composition according to [1] or [2].
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The acrylic acid polymer used in the present invention is represented by the formula (1):
[0010]
[Chemical 1]
[0011]
(Wherein R represents a hydrogen atom, a methyl group or an ethyl group, X represents a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom, an ammonium group or an organic ammonium group, and the n Xs may be the same or different. Often, n represents the number of monomer repeats).
[0012]
In the formula (1), X is preferably a hydrogen atom, an ammonium group, an organic ammonium group such as monoethanolammonium, diethanolammonium, triethanolammonium and triethylammonium.
[0013]
The present invention has one major feature in using the acrylic acid-based polymer. By using a polishing liquid composition containing such an acrylic acid-based polymer, not only the polishing rate is improved, but also a metal film. Therefore, it is possible to prevent excessive etching, and to obtain an excellent effect that a polished surface free from defects such as dishing can be obtained.
[0014]
The acrylic acid polymer is, for example, an acrylic monomer such as acrylic acid, methacrylic acid, α-ethylacrylic acid, their alkali metal salts, ammonium salts, basic salts such as amine salts, and the like in an aqueous medium. Polymerization of 2,2'-azobisisobutylnitrile, 2,2'-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] disulfate dihydrate, ammonium persulfate, hydrogen peroxide, etc. It can be obtained by polymerization by a known polymerization method such as bulk polymerization or solution polymerization in the presence of an agent.
[0015]
The molecular weight of the acrylic acid-based polymer of the present invention is preferably from 500 to 50,000, particularly preferably from 500 to 10,000, more preferably from 500 to 5000, and most preferably from the viewpoint of improving the polishing rate and suppressing dishing. ˜3000 (converted to sodium polystyrene sulfonate by gel permeation chromatography (GPC)).
[0016]
The blending amount of the acrylic acid polymer in the first polishing composition is preferably 0.01 to 30% by weight, and 0.05 to 5% from the viewpoint of increasing the polishing rate and decreasing the etching rate to prevent dishing. % Is more preferable, and 0.1 to 3% by weight is more preferable.
[0017]
The organic acid used in the present invention is a compound having an acidic functional group. The functional group showing acidity includes carboxyl group, phosphone group, sulfone group, sulfine group, phenol group, enol group, thiophenol group, imide group, oxime group, aromatic sulfoamide group, primary and secondary nitro group Etc.
[0018]
Examples of the organic acid having a carboxyl group include monocarboxylic acid, dicarboxylic acid, hydroxycarboxylic acid, aminocarboxylic acid and the like. Specific examples of monocarboxylic acid include formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, and valeric acid. , Caproic acid, caprylic acid, capric acid, lauric acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid, pyruvic acid, etc .; dicarboxylic acids include oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, phthalic acid, etc .; Examples of the hydroxycarboxylic acid include gluconic acid, tartaric acid, glycolic acid, lactic acid, citric acid, and malic acid; examples of the aminocarboxylic acid include ethylenediaminetetraacetic acid and nitrilotriacetic acid. Examples of the organic acid having a phosphonic group include 1-hydroxyethylidene-1,1-diphosphonic acid, and examples of the organic acid having a sulfone group include methanesulfonic acid, benzenesulfonic acid, p-toluenesulfonic acid, and naphthalenesulfonic acid; Examples of the organic acid having a sulfinic group include benzenesulfinic acid and p-toluenesulfinic acid. Among these, monocarboxylic acid, dicarboxylic acid, hydroxycarboxylic acid and aminocarboxylic acid are preferable, and acetic acid, oxalic acid, succinic acid, glycolic acid, lactic acid, citric acid, malic acid, tartaric acid, gluconic acid, ethylenediaminetetraacetic acid, nitrilotriline. More preferred is acetic acid. Moreover, you may use these organic acids individually or in mixture of 2 or more types. The molecular weight of these organic acids is preferably less than 500.
[0019]
In the present invention, by using such an organic acid, a complex is formed or bonded to various metals constituting the metal layer, particularly copper, and the metal layer is made a brittle layer, so that the metal layer can be easily removed during polishing. The effect of making is expressed. In particular, when an organic acid and an acrylic acid polymer are used in combination, a higher polishing rate can be realized and dishing can be prevented.
[0020]
The blending amount of the organic acid in the first polishing liquid composition is preferably 0.1 to 10 in order to secure a polishing rate at a practical level for removing the metal layer and prevent excessive etching of the metal layer. % By weight, more preferably 0.2 to 8% by weight, still more preferably 0.3 to 5% by weight.
[0021]
The water used in the present invention is used as a medium. The blending amount is preferably 60 to 99.8% by weight, more preferably 70 to 99.4% by weight, and still more preferably 80 to 99.0% by weight, from the viewpoint of efficiently polishing the workpiece.
[0022]
The pH of the polishing composition of the present invention is 7 or less from the viewpoint of keeping the polishing rate at a practical level and preventing dishing and removing fine scratches (scratches) on the surface. Preferably, 2-6 are more preferable, and 3-5 are more preferable. In order to adjust the pH within the above range, an inorganic acid such as nitric acid or sulfuric acid, an organic acid, a basic substance such as potassium hydroxide, sodium hydroxide, ammonia, or an amine can be appropriately blended as necessary. .
[0023]
The second polishing liquid composition of the present invention is obtained by further blending an oxidizing agent with the first polishing liquid composition. The oxidizing agent used in the present invention oxidizes a metal. In this invention, it is thought that the effect of oxidizing a metal layer and promoting the mechanical polishing effect of a metal layer is expressed by using such an oxidizing agent.
[0024]
Examples of the oxidizing agent include peroxide, permanganic acid or a salt thereof, chromic acid or a salt thereof, nitric acid or a salt thereof, peroxo acid or a salt thereof, oxygen acid or a salt thereof, metal salts, sulfuric acid, and the like.
[0025]
Specific examples thereof include hydrogen peroxide, sodium peroxide, barium peroxide and the like as peroxides; potassium permanganate as permanganic acid or a salt thereof; and metal chromate as chromic acid or a salt thereof. Salt, dichromate metal salt, etc .; as nitric acid or its salt, iron nitrate (III), ammonium nitrate, etc .; Peroxosulfuric acid, sodium peroxoborate, performic acid, peracetic acid, perbenzoic acid, perphthalic acid, etc .; oxygen acids or their salts include hypochlorous acid, hypobromous acid, hypoiodous acid, chloric acid, bromic acid , Iodic acid, perchloric acid, sodium hypochlorite, calcium hypochlorite, etc .; metal salts include iron (III) chloride, iron (III) sulfate, citric acid (III), ammonium iron (III), and the like. Preferable oxidizing agents include hydrogen peroxide, iron (III) nitrate, peracetic acid, ammonium peroxodisulfate, iron (III) sulfate, and iron (III) ammonium sulfate, and hydrogen peroxide is particularly preferable. These oxidizing agents may be used alone or in admixture of two or more.
[0026]
The oxidizing agent is used in a state where water is used as a medium in the second polishing composition. The blending amount of the oxidizing agent in the second polishing liquid composition is preferably 0.1 to 60% by weight, more preferably 0.2% from the viewpoint of obtaining a practical level of polishing rate by rapid oxidation of the metal layer. -50% by weight, more preferably 0.3-30% by weight.
[0027]
The blending amount of the acrylic acid polymer in the second polishing composition is preferably 0.01 to 30% by weight, more preferably 0.05 to 5% by weight, and still more preferably 0.1 to 3% by weight. It is. The amount of water is preferably 10 to 99.7% by weight, more preferably 40 to 99% by weight, and still more preferably 60 to 98% by weight. The compounding amount of the organic acid is preferably 0.1 to 10% by weight, more preferably 0.2 to 8% by weight, and still more preferably 0.3 to 5% by weight.
[0028]
The 1st and 2nd polishing liquid composition of this invention which has the above structures is effective in the grinding | polishing system using a fixed grindstone. For example, by using the first or second polishing liquid composition during polishing using a fixed grindstone, not only the polishing rate can be improved, but also dishing of the metal layer can be prevented.
[0029]
Ken Migakueki compositions of the present invention has further contain a research Migakuzai, is used for a polishing method using free abrasive.
[0030]
As the abrasive, abrasive grains generally used for polishing can be used. For example, silicon dioxide, aluminum oxide, cerium oxide, zirconium oxide, titanium oxide, silicon nitride, manganese dioxide, silicon carbide, zinc oxide, Examples include diamond and magnesium oxide.
[0031]
Specific examples thereof include colloidal silica particles, fumed silica particles, and surface-modified silica particles as silicon dioxide; α-alumina particles, γ-alumina particles, δ-alumina particles, and θ-alumina particles as aluminum oxide. , Η-alumina particles, amorphous alumina particles, fumed alumina, colloidal alumina, etc. with different production methods, etc .; As cerium oxide, trivalent or tetravalent oxidation number, hexagonal crystal system, equiaxed Crystalline or face-centered cubic system, etc .; as zirconium oxide, the crystal system is monoclinic, tetragonal or amorphous, and other fumed zirconium with different production methods; , Titanium monoxide, Titanium trioxide, Titanium dioxide, and other fumed titania with different production methods, etc .; Silicon, β-silicon nitride, amorphous silicon nitride, other different forms, etc .; as manganese dioxide, α-manganese dioxide, β-manganese dioxide, γ-manganese dioxide, δ-manganese dioxide, ε-manganese dioxide, η -Manganese dioxide and the like. These abrasives may be used alone or in admixture of two or more.
[0032]
The average particle size of the primary particles of the abrasive is preferably 5 nm or more, more preferably 10 nm or more, still more preferably 20 nm or more, and particularly preferably 50 nm or more from the viewpoint of maintaining a constant polishing rate. Further, from the viewpoint of preventing scratches on the surface of the object to be polished, the thickness is preferably 1000 nm or less, more preferably 500 nm or less, still more preferably 300 nm or less, particularly preferably 200 nm or less, and most preferably 100 nm or less.
[0033]
In particular, when silicon dioxide is used as the abrasive, the average particle size of the primary particles is 5 nm or more, preferably 10 nm or more, more preferably 20 nm or more from the viewpoint of improving the polishing rate.
[0034]
The average particle diameter of the primary particles of the abrasive is transmitted through 100 g of 0.1% polystyrene sodium sulfonate aqueous solution, 0.1 g of the abrasive, and then dispersing the abrasive to which ultrasonic waves are applied. It can be obtained by image analysis by observation with a scanning electron microscope.
[0035]
When the polishing composition of the present invention is used for forming a wiring of a semiconductor device, the polishing material used particularly preferably has a purity of preferably 98% by weight from the viewpoint of improving the synergistic effect with the acrylic acid polymer. % Or more, more preferably 99% by weight or more, particularly preferably 99.9% by weight or more of silica particles. As such an abrasive, fumed silica produced by high-temperature hydrolysis of a volatile silicon compound such as silicon tetrachloride in an acid hydrogen bath, or a method using an alkali silicate or ethyl silicate as a starting material. Colloidal silica is mentioned.
[0036]
The purity of the abrasive is determined as follows. That is, it can be measured by dissolving 1 to 3 g of an abrasive in an acid or alkaline aqueous solution and quantifying silicon ions by an ICP (plasma emission analysis) method.
[0037]
Such an abrasive is used in a so-called slurry state using water as a medium in the polishing composition of the present invention . The amount of the polishing composition of the present invention the abrasive can be variously selected according to the required quality and the like of the viscosity and the object to be polished of the polishing composition of the present invention, the polishing liquid excluding the abrasive It is 0.01-30 weight part with respect to 100 weight part of compositions, More preferably, it is 0.02-20 weight part, More preferably, it is 0.05-10 weight part.
[0038]
The polishing composition of the present invention is used for metal CMP, with the surface having an insulating layer and a metal layer as the object of polishing. Examples of the metal forming the metal layer include copper or a copper alloy, aluminum or an aluminum alloy, and tungsten. Among these, copper or a copper alloy is preferable particularly when used in the step of forming a buried metal wiring on a semiconductor substrate. When the polishing composition of the present invention is used for forming such a copper or copper alloy metal wiring layer, the effect of improving the polishing rate and the effect of suppressing dishing of the embedded metal wiring layer are particularly remarkably exhibited. Examples of the material for forming the insulating layer include silicon dioxide, nitride (eg, tantalum nitride, titanium nitride, etc.), fluorine-added silicon dioxide, Teflon, polyimide, organic SOG (spin on glass), hydrogen-containing SOG, and the like. .
[0039]
The shape of these objects to be polished is preferably a shape in which a wiring-shaped groove is formed on the surface of the insulating film on the semiconductor substrate and a metal is deposited on the insulating film including the groove. A barrier film made of tantalum, titanium, or a nitride thereof may be provided between the insulating film and the metal layer. In particular, when the metal layer is copper or a copper alloy, it is preferable to provide the barrier film because copper diffusion to the insulating layer can be prevented.
[0040]
【Example】
Examples 1-7 and Comparative Examples 1-4
Acrylic polymer are shown in Table 1 and an organic acid, respectively mixed with 31% hydrogen peroxide 2 wt% and the balance water in a content shown in Table 1, to obtain a set Narubutsu stirred. The obtained set Narubutsu 100 parts by weight, the abrasive 5 parts by weight shown in Table 1 was added, again mixing, after stirring, adjust pH, to obtain a polishing composition of the present invention. Each abrasive used was fumed silica (primary particle size: 50 nm) and colloidal silica (primary particle size: 30 nm). In addition, the object to be polished was polished by a single-side polishing machine under the following conditions.
[0041]
<Setting conditions of single-sided machine>
Single-sided machine used: Engis single-sided machine (plate size 30cm)
Processing pressure: 300gf / cm 2
Polishing pad: Upper layer: IC1000 (Rodel Nitta), Lower layer: SUBA400 (Rodel Nitta)
Plate rotation speed: 60rpm
Polishing liquid composition supply flow rate: 100mL / min
Polishing time: 2 minutes [0042]
Moreover, the characteristics of the polishing composition such as the relative polishing rate and dishing of the surface to be polished were evaluated according to the following methods.
[0043]
[Relative polishing speed]
The object to be polished used for obtaining the relative polishing rate is a silicon substrate in which a copper film is formed on the silicon substrate by electroplating or the like. The polishing rate was determined by measuring 20 changes in the copper film before and after polishing and dividing it by the polishing time, and the relative value was determined based on Comparative Example 1 or 2. The results are shown in Table 1.
[0044]
[Dishing]
For dishing evaluation, five 20 mm square chips were cut out from a wafer with copper damascene wiring pattern (SKW6-2, “SKW6-2”, size: 200 mm), fixed to a ceramic adhesive plate, and then subjected to the above conditions. The sample was polished and used as a dishing evaluation sample. The dishing evaluation was performed by observation with a scanning electron microscope of a cross section of a pattern having a wiring width size of 1500 μm × 1500 μm. The results are shown in Table 1. In the table, “No” indicates that there is no dishing, and “Yes” indicates that there is one or more dishes.
[0045]
[Table 1]
[0046]
From the results of Examples, it can be seen that by using an acrylic acid polymer and an organic acid in combination, a sufficient polishing rate can be exhibited and dishing can be prevented. Further, by polishing at pH 7 or less, a sufficient polishing rate can be obtained.
[0047]
【The invention's effect】
By using the polishing composition of the present invention for polishing a surface to be polished having an insulating layer and a metal layer, the effect of improving the polishing rate of the metal film and preventing the occurrence of defects such as dishing in the wiring metal layer is achieved. The

Claims (2)

半導体基板上に絶縁層と銅又は銅合金の埋め込み金属配線層を有する被研磨表面を研磨する研磨液組成物であって、下記式:
(式中、Rは水素原子、メチル基又はエチル基、Xは水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、アンモニウム基又は有機アンモニウム基を表し、n個のXは同一でも異なっていてもよく、nは単量体の繰り返し数を示す)
で示される、分子量が500〜3000のアクリル酸系重合物0.1〜重量%、有機酸0.2〜10重量%、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、窒化ケイ素、二酸化マンガン、炭化ケイ素、酸化亜鉛、ダイヤモンド及び酸化マグネシウムからなる群より選ばれる研磨材及び水を含有し、pHが7以下である研磨液組成物。
A polishing liquid composition for polishing a surface to be polished having an insulating layer and a copper or copper alloy embedded metal wiring layer on a semiconductor substrate, the following formula:
(Wherein R represents a hydrogen atom, a methyl group or an ethyl group, X represents a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom, an ammonium group or an organic ammonium group, and the n Xs may be the same or different. Well, n represents the number of repeating monomers)
0.1 to 3 % by weight of an acrylic acid polymer having a molecular weight of 500 to 3000, 0.2 to 10% by weight of an organic acid, silicon dioxide, aluminum oxide, cerium oxide, zirconium oxide, titanium oxide, silicon nitride A polishing composition comprising a polishing material selected from the group consisting of manganese dioxide, silicon carbide, zinc oxide, diamond and magnesium oxide , and water , and having a pH of 7 or less.
さらに、酸化剤を含有する請求項1記載の研磨液組成物。  The polishing composition according to claim 1, further comprising an oxidizing agent.
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